傳感與檢測(cè)技術(shù)(周杏鵬)第十一章

1、第十一章第十一章 物位檢測(cè)技術(shù)物位檢測(cè)技術(shù)物位檢測(cè)包括液位、料位和相界面位置液位、料位和相界面位置的檢測(cè)。它一般是液位液位指液體表面位置，液面一般是水平的，但在有些情況下可能有沸騰或起泡。料位料位指容器中固體粉料或顆粒的堆積高度的表面位置，一般固體物料在自然堆積時(shí)料面是不平的。相界面相界面指同一容器中互不相溶的兩種物質(zhì)在靜止或擾動(dòng)不大時(shí)的分界面，包括液液相界面、液固相界面等，相界面檢測(cè)的難點(diǎn)在于界面分界不明顯或存在混濁段。 11.1 11.1 液位檢測(cè)液位檢測(cè) 11.2 11.2 物位檢測(cè)物位檢測(cè)11.3 11.3 相界面的檢測(cè)相界面的檢測(cè)11.4 11.4 物位儀表分類與選用物位儀表分類與選

2、用 液位檢測(cè)總體上可分為液位檢測(cè)總體上可分為直接檢測(cè)直接檢測(cè)和和間接檢間接檢測(cè)測(cè)兩種方法，由于測(cè)量狀況及條件復(fù)雜多兩種方法，由于測(cè)量狀況及條件復(fù)雜多樣，因而往往采用間接測(cè)量，即將液位信樣，因而往往采用間接測(cè)量，即將液位信號(hào)轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如號(hào)轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如壓力壓力法、浮力法、電學(xué)法、熱學(xué)法法、浮力法、電學(xué)法、熱學(xué)法等。等。 11.1.1 力學(xué)法檢測(cè)液位11.1.2 電學(xué)與電磁法檢測(cè)液位11.1.3 聲學(xué)與光學(xué)法檢測(cè)液位11.1.4 其它液位檢測(cè)技術(shù) 由于液體對(duì)容器底面產(chǎn)生的靜壓力與液位高度成正比， 對(duì)常壓開口容器，液位高度H與液體靜壓力P之間有如下關(guān)系： gPH3/

3、mkg1. 1. 壓力法檢測(cè)液位壓力法檢測(cè)液位 壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量。壓力法依據(jù)液體重量所產(chǎn)生的壓力進(jìn)行測(cè)量。式中，被測(cè)液體的密度( )。用于測(cè)量開口容器液位高度的三種壓力式液位計(jì)如圖11-1 2.2.浮力法檢測(cè)液位浮力法檢測(cè)液位浮力法測(cè)液位是依據(jù)力平衡原理浮力法測(cè)液位是依據(jù)力平衡原理，通常借助浮子一類的懸浮物，浮子做成空心剛體，使它在平衡時(shí)能夠浮于液面。因此測(cè)出浮子的位移就可知液位變化量。 浮子式液位計(jì)按浮子形狀不同，可分為浮子式浮子式、浮筒式浮筒式等等；按機(jī)構(gòu)不同可分為鋼帶式、杠桿鋼帶式、杠桿式式等。（1）鋼帶浮子式液位計(jì)圖11-2為直讀式鋼帶浮子式液位計(jì)，這是一種最簡(jiǎn)單

4、的液位計(jì)，一般只能就地顯示。平衡時(shí)，浮子重量與鋼帶拉力之差W與浮力相平衡：hDgW42HhH當(dāng)液位變化 時(shí)，浮子浸入深度 應(yīng)保持不變才能使測(cè)量準(zhǔn)確，但由于摩擦等因素，浮子不會(huì)馬上跟隨動(dòng)作，它的浸入深度的變化量為 ，所受浮力變化量: HDgF42克服了摩擦力克服了摩擦力 fr后浮子才會(huì)開始動(dòng)作，這就是后浮子才會(huì)開始動(dòng)作，這就是儀表不靈敏區(qū)的產(chǎn)生原因。儀表不靈敏區(qū)的產(chǎn)生原因。由此可見由此可見靈敏度與浮子直徑有關(guān)，適當(dāng)增大浮子直徑，靈敏度與浮子直徑有關(guān)，適當(dāng)增大浮子直徑，會(huì)使相同摩擦情況下浮子的浸入深度變化量會(huì)使相同摩擦情況下浮子的浸入深度變化量減小，靈敏度提高，從而提高測(cè)量精度減小，靈敏度提高，從

5、而提高測(cè)量精度24DgFHfHr可知可知（2）浮筒式液位計(jì)浮筒式液位計(jì)屬于變浮力液位計(jì)，當(dāng)被測(cè)液面位置變化時(shí)，浮筒浸沒體積變化，所受浮力也變化，通過測(cè)量浮力變化確定出液位的變化量。圖11-3為浮筒式液位計(jì)原理圖 圖11-3所示的液位計(jì)是用彈簧平衡浮力，用差動(dòng)變壓器測(cè)量浮筒位移，平衡時(shí)壓縮彈簧的彈力與浮筒浮力及重力G平衡。即GgAHkx當(dāng)液位發(fā)生變化時(shí)有 GxHHgAxxk兩式相減得 xgAkH1由此可見由此可見液位高度變化與彈簧變形量成正比。彈簧變形量可用多種方法測(cè)量，既可就地指示，也可用變換器(如差動(dòng)變壓器)變換成電信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)傳控制。 鋼帶浮子式液位計(jì)實(shí)物圖浮筒式液位計(jì)實(shí)物圖1 1電學(xué)法檢測(cè)

6、液位電學(xué)法檢測(cè)液位電學(xué)法按工作原理不同又可分為電學(xué)法按工作原理不同又可分為用電學(xué)法測(cè)量無摩擦件和可動(dòng)部件，信號(hào)轉(zhuǎn)換、傳送方便，便于遠(yuǎn)傳，工作可靠，且輸出可轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的電信號(hào)，與電動(dòng)單元組合儀表配合使甩，可方便地實(shí)現(xiàn)液位的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。 （1）電阻式液位計(jì) 電阻式液位計(jì)既可進(jìn)行定點(diǎn)液位控制，也可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。電阻式液位計(jì)的原理是基于液位變化引起電極間電阻變化，由電阻變化反映液位情況。 圖11-4為用于連續(xù)測(cè)量的電阻式液位計(jì)原理圖 整個(gè)傳感器電阻為 hKKhAHAhHAR21222該傳感器的材料、結(jié)構(gòu)與尺寸確定后，K1、K2均為常數(shù)，電阻大小與液位高度成正比。電阻的測(cè)量可用圖中的電橋電路完成

7、。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)和線路簡(jiǎn)單，測(cè)量準(zhǔn)確，通過在與測(cè)量臂相鄰的橋臂中串接溫度補(bǔ)償電阻可以消除溫度變化對(duì)測(cè)量的影響。如極棒表面生銹、極化等，另外，介質(zhì)腐蝕性將會(huì)影響電阻棒的電阻大小，這些都會(huì)使測(cè)量精度受到影響。（2）電感式液位計(jì)電感式液位計(jì)利用，液位變化引起線圈電感變化，感應(yīng)電流也發(fā)生變化。電感式液位計(jì)。 圖11-5為電感式液位控制器的原理圖 電感式液位計(jì)由于浮子與介質(zhì)電感式液位計(jì)由于浮子與介質(zhì)接觸。因此不宜于測(cè)量易結(jié)垢、接觸。因此不宜于測(cè)量易結(jié)垢、腐蝕性強(qiáng)的液體及高粘度漿液。腐蝕性強(qiáng)的液體及高粘度漿液。（3）電容式液位計(jì)電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小電容式液位計(jì)利用液位高

8、低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測(cè)量。的原理進(jìn)行測(cè)量。適用范圍非常廣泛，對(duì)介質(zhì)本身性質(zhì)的要求不象其它方法那樣嚴(yán)格，對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)非導(dǎo)電介質(zhì)都能測(cè)量，還能測(cè)量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測(cè)量。電容式液位計(jì)的結(jié)構(gòu)形式很多，有等等。檢測(cè)原理檢測(cè)原理在液位的連續(xù)測(cè)量中，多使用同心圓柱式電容器，如圖11-6所示。同心圓柱式電容器的電容量dDLCln2液位變化引起等效介電常數(shù)變化，從而使電容器的電容量變化，這就是電容式液位計(jì)的檢測(cè)原理。 安裝形式安裝形式電容式液位計(jì)的安裝形式因被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)不同而稍有差別，圖11-7為用來測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位

9、計(jì) HdDCxln2電容變化量與液位高度成正比 圖11-8為用于測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì) HdDCCCxln200電容變化量與液位高度成正比；金屬套與內(nèi)電極間絕緣層越薄，液位計(jì)靈敏度就越高。2.2.電磁學(xué)法檢測(cè)液位電磁學(xué)法檢測(cè)液位磁致伸縮液位計(jì)原理圖磁致伸縮液位計(jì)的構(gòu)成：磁致伸縮液位計(jì)的構(gòu)成：探測(cè)桿，電路單元，浮子磁致伸縮液位計(jì)的具磁致伸縮液位計(jì)的具體測(cè)量原理體測(cè)量原理磁致伸縮液位JC3010系列特點(diǎn)：高穩(wěn)定、高可靠、高精度可測(cè)液位、可測(cè)界面也可測(cè)溫度和密度防腐、防爆長壽命、免維護(hù)、運(yùn)行成本低安裝方便、標(biāo)定簡(jiǎn)單（按鈕操作、無須液位升降）技術(shù)參數(shù)測(cè)量范圍：測(cè)量范圍： 硬桿 06m

10、 軟纜 022m精精 度：度： 0.01% 或 1mm分分 辨辨 率：率： 0.1mm供供 電：電： 24VDC輸輸 出：出： 模擬輸出：二線制或三線制420mA 數(shù)字輸出：RS485溫度檢測(cè)：溫度檢測(cè)： 15個(gè)介質(zhì)密度：介質(zhì)密度： 0.4g/cm3介質(zhì)溫度：介質(zhì)溫度： 常溫型 40100 ，高溫型 0280介質(zhì)壓力：介質(zhì)壓力： 10MPa環(huán)境條件：環(huán)境條件： 溫度 2070 ，相對(duì)濕度95%1. 1. 聲學(xué)法檢測(cè)液位聲學(xué)法檢測(cè)液位超聲波液位計(jì)是利用波在介質(zhì)中的傳播特性超聲波液位計(jì)是利用波在介質(zhì)中的傳播特性，超聲波在傳播中遇到相界面時(shí)，一部分反射回來，另一部分則折射入相鄰介質(zhì)中。當(dāng)由氣體傳播到

11、液體或固體中，或者由固體、液體傳播到空氣中時(shí)，由于介質(zhì)密度相差太大而幾乎全部發(fā)生反射。 超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式氣介式、液介式液介式和固介式固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭自發(fā)自收的單探頭方式方式和收發(fā)分開的雙探頭方式收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以得到六種液位計(jì)的方案。圖7-17為單探頭超聲波液位計(jì)。其中(a)為氣介式，(b)為液介式。(c)為固介式。 單探頭液位計(jì)使用一個(gè)換能器，由控制電路控制它分時(shí)交替作發(fā)射器與接收器。雙探頭式則使用兩個(gè)換能器分別作發(fā)射器和接收器。 由圖11-10看出，超聲波傳播距離為L，波的傳播速度為C，傳播時(shí)間為t ，則：tCL21

12、L是與液位有關(guān)的量，故測(cè)出t便可知液位， t的測(cè)量一般是用接收到的信號(hào)觸發(fā)門電路對(duì)振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。超聲波液位測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：(2)超聲波傳播速度比較穩(wěn)定，光線、介質(zhì)粘度、濕度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等對(duì)檢測(cè)幾乎無影響，因此適用于有毒、腐蝕性或高粘度等特殊場(chǎng)合的液位測(cè)量；(1)與介質(zhì)不接觸，無可動(dòng)部件，電子元件只以聲頻振動(dòng)，振幅小，儀器壽命長；(4)能測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)或有傾斜晃動(dòng)的液體的液位，如置于汽車、飛機(jī)、輪船中的液位。(3)不僅可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量和定點(diǎn)測(cè)量，還能方便地提供遙測(cè)或遙控信號(hào)；但超聲波儀器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴，而且有些物質(zhì)對(duì)超聲波有強(qiáng)烈吸收作用，選用測(cè)量方法和測(cè)量?jī)x器時(shí)要充分

13、考慮液位測(cè)量的具體情況和條件。 2. 2. 光學(xué)法檢測(cè)液位光學(xué)法檢測(cè)液位激光用于液位測(cè)量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點(diǎn)，使測(cè)量精度大為提高。激光式液位檢測(cè)儀由激光發(fā)射器、接收器及測(cè)量控制電路組成。 圖7-18為反射式液位檢測(cè)原理圖 不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。 當(dāng)射線射入厚度為H的介質(zhì)時(shí)，會(huì)有一部分被介質(zhì)吸收掉。透過介質(zhì)的射線強(qiáng)度I與入射強(qiáng)度I0之間有如下關(guān)系：式中 吸收系數(shù)，條件固定時(shí)為常數(shù)。變形為： 因此測(cè)液位可通過測(cè)量射線在穿過液體時(shí)強(qiáng)度的

14、變化量來實(shí)現(xiàn)。 HeII0IIHlnln101射線法液位檢測(cè)技術(shù)射線法液位檢測(cè)技術(shù) 核幅射式液位計(jì)由輻射源、接收器和測(cè)量?jī)x表組成。 輻射源一般用鈷60或銫，放在專門的鉛室中，安裝在被測(cè)容器的一側(cè)。接收器與前置放大器裝在一起，安裝在被測(cè)容器另一側(cè)， 射線由蓋革計(jì)數(shù)管吸收，每接收到一個(gè) 粒子，就輸出一個(gè)脈沖電流。射線越強(qiáng)，電流脈沖數(shù)越多，經(jīng)過積分電路變成與脈沖數(shù)成正比的積分電壓，再經(jīng)電流放大和電橋電路，最終得到與液位相關(guān)的電流輸出。 圖11-22所示為輻射源與接收器均是為固定安裝方式的核幅射液位計(jì)。其中 (a)為長輻射源和長接收器形式，輸出線性度好； (b) 為點(diǎn)輻射源和點(diǎn)接收器形式，輸出線性度較

15、差。 2 2溫差法液位檢測(cè)技術(shù)溫差法液位檢測(cè)技術(shù)主要原理：兩種不同物理狀態(tài)的物質(zhì)間會(huì)存在溫度場(chǎng)（如氣體與液體之間）。在同一溫度場(chǎng)內(nèi)的亮點(diǎn)可以認(rèn)為溫差近似為零，或者低于某一臨界值，而不同溫度場(chǎng)中的兩點(diǎn)則會(huì)存在較大的溫差，顯著高于某一臨界值。此時(shí)通過判斷溫度差即可判斷出液面的位置。 測(cè)溫法液位計(jì)原理圖如圖11-23所示 測(cè)溫法液位計(jì)主要由溫度傳感器、信號(hào)處理電路和液位顯示電路構(gòu)成。一般在液體容器壁表面的上下方向安裝兩個(gè)以上溫度傳感器，由信號(hào)處理電路采集溫度傳感器信號(hào)并比較各相鄰傳感器的溫度差，根據(jù)設(shè)定的臨界值即可判斷出當(dāng)前的液位。 11.1 11.1 液位檢測(cè)液位檢測(cè) 11.2 11.2 物位檢測(cè)

16、物位檢測(cè)11.3 11.3 相界面的檢測(cè)相界面的檢測(cè)11.4 11.4 物位儀表分類與選用物位儀表分類與選用 11.2.1 重錘探測(cè)與稱重法檢測(cè)料位11.1.2 電磁法檢測(cè)料位11.1.3 聲學(xué)法檢測(cè)料位重錘探測(cè)法原理示意圖如圖11-24所示 重錘連在與電機(jī)相連的鼓輪上，電機(jī)發(fā)訊使重錘在執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制下動(dòng)作，從預(yù)先定好的原點(diǎn)處靠自重開始下降，通過計(jì)數(shù)或邏輯控制記錄重錘下降的位置；當(dāng)重錘碰到物料時(shí)，產(chǎn)生失重信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)停轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，使電機(jī)帶動(dòng)重錘迅速返回原點(diǎn)位置。 1.重錘法重錘法一定容積的容器內(nèi)，物料重量與料位高度應(yīng)當(dāng)是成比例的，因此可用稱重傳感器或測(cè)力傳感器測(cè)算出料位高低。圖11-25為稱重

17、式料位計(jì)的原理圖。2.稱重法稱重法1. 1. 電阻式物位計(jì)電阻式物位計(jì)測(cè)量原理示意圖如圖11-26所示 兩支或多支用于不同位置控制的電極置于儲(chǔ)料容器中作為測(cè)量電極，金屬容器壁作為另一電極。測(cè)量時(shí)物料上升或下降至某一位置時(shí)，即與相應(yīng)位置上的電極接通或斷開，使該路信號(hào)發(fā)生器發(fā)出報(bào)警或控制信號(hào)。 2. 2. 電容式料位計(jì)電容式料位計(jì)電容式料位計(jì)測(cè)量原理示意圖如圖11-27所示 其應(yīng)用非常廣泛，不僅能測(cè)不同性質(zhì)的液體，而且還能測(cè)量不同性質(zhì)的物料，如塊狀、顆粒狀、粉狀、導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性等物料。但是由于固體摩擦力大，容易“滯留”，產(chǎn)生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。 設(shè)輔助電極長L0

18、，它相對(duì)于料位為零時(shí)的電容變化量 為 ：000ln2LdDCL 0LC電容式料位計(jì)在測(cè)量時(shí)，物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質(zhì)時(shí)，會(huì)引起介電常數(shù)變化，產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測(cè)量誤差，。輔助電極與測(cè)量電極(也稱主電極)可以同軸，也可以不同軸。 主電極的電容變化量為 ，則有： xC00LHCCLx由于L0是常數(shù)，因此料位變化僅與兩個(gè)電容變化量之比有關(guān)，而介質(zhì)因素波動(dòng)所引起的電容變化對(duì)主電極與輔助電極是相同的，相比時(shí)被抵消掉，從而起到誤差補(bǔ)償作用。由音叉、壓電元件及電子線路等組成。音叉由壓電元件激振，以一定頻率振動(dòng)，當(dāng)料位上升至觸及音叉時(shí)，音叉振幅及頻率急劇衰減甚至停振，電子線路

19、檢測(cè)到信號(hào)變化后向報(bào)警器及控制器發(fā)出信號(hào)。圖11-28為音叉式料位信號(hào)器原理圖1.聲學(xué)法聲學(xué)法11.1 11.1 液位檢測(cè)液位檢測(cè) 11.2 11.2 物位檢測(cè)物位檢測(cè)11.3 11.3 相界面的檢測(cè)相界面的檢測(cè)11.4 11.4 物位儀表分類與選用物位儀表分類與選用 相界面的檢測(cè)包括液-液相界面、液-固相界面的檢測(cè)。 液-液相界面檢測(cè)與液位檢測(cè)相似，因此各種液位檢測(cè)方法及儀表(如壓力式液位計(jì)、浮力式液位計(jì)、反射式激光液位計(jì)等等)都可用來進(jìn)行液-液相界面的檢測(cè)。 液-固相界面的檢測(cè)與料位檢測(cè)更相似，因此通常重錘探測(cè)式、遮斷式激光料位計(jì)或料位信號(hào)器也同樣可用于液-固相界面的檢測(cè)控制。 油水相界面

20、檢測(cè)主要是指測(cè)量油和水混合后靜態(tài)分界面，分段式電容傳感器在線檢測(cè)方法是基于油水導(dǎo)電特性的差異設(shè)計(jì)的一種油水界面檢測(cè)儀，可以顯示出罐內(nèi)水位的動(dòng)態(tài)變化利用等結(jié)構(gòu)物理電極把整個(gè)測(cè)量范圍分成各個(gè)小層，而每個(gè)層而對(duì)應(yīng)著固定的空間高度，逐層測(cè)量電容值。如果測(cè)量的是同一介質(zhì)，各段采集的數(shù)字量應(yīng)該一致或接近，反之則有較大差異，利用該現(xiàn)象可以判斷出介質(zhì)分界面的層段，然后就能計(jì)算出界面或液面高度。分段式電容油水相界面的測(cè)量圖11-29是一個(gè)十段式分段電容傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及等效電容圖 從上至下等效為十個(gè)電容C1C10。從圖中可以看出，C1C6中都是同一種介質(zhì)原油，C8, C9和C10中也是同一種介質(zhì)水，只有C7中有原油和水兩種介質(zhì)，由于各段電容長度、內(nèi)徑和外徑都相等C1 C8的電容值是需要經(jīng)過測(cè)量才能得到的，我們就可以判斷出C8、C9和C10充滿的是介質(zhì)水，C1C4充滿的